NiMnGa磁控形状记忆合金纵振式换能器

为实现低频、小尺寸水下声源,利用具有大应变、快速响应和高能量密度等优势的NiMnGa合金为驱动元件设计了水声换能器。基于NiMnGa合金变形原理,建立了NiMnGa纵振式换能器物理模型,推导了等效电路。通过有限元法,实现了NiMnGa纵振式换能器电磁-机械-声的多物理场耦合仿真,用于预测换能器的水下声学性能。制作了小型NiMnGa纵振式换能器样机,并在水中测试了500～800 Hz频带内的声源级。实验结果表明,换能器样机辐射面直径为8 mm,水中谐振频率为700 Hz,最大声源级为115.5 dB。     

铁镓驱动弯曲圆盘换能器设计及振动特性研究

为了研究新型磁致伸缩材料——铁镓合金(Galfenol)在换能器中应用,本文设计了一种低频弯曲圆盘换能器。借助有限元软件仿真分析换能器振动模态,对换能器结构参数进行优化设计,并研制了换能器样品。利用激光测振仪测量了换能器空气中模态及不同电流驱动下振动位移,测得振动模态与仿真结果吻合,换能器空气中共振频率为913 Hz,辐射头能够产生的最大振动位移达到93μm,磁致伸缩材料达到饱和应变。结果表明:铁镓材料能够驱动弯曲圆盘换能器大振幅振动;铁镓作为磁致伸缩换能器驱动材料具有较好的应用前景。     

800Hz Terfenol-D鱼唇式弯张换能器

本文研制了800Hz Terfenol-D鱼唇式弯张换能器，换能器设计中采用永磁偏磁场和能有效抑制涡流损耗的闭合磁路结构，最高声源级185dB，-3dB带宽180Hz,这种鱼唇工弯张换能器克服了连续直流提供偏磁场时发热强的缺点，并且仅需要普通的功率放大器，更适于长时间连续工作，使这一新型低频大功率水声换能器趋于实用化。     

压电式摆动圆柱形偶极发射换能器优化研究

为了实现偶极信号有效辐射,获得足够高的信噪比,全面分析弯曲波频散,本文提出了一种新型的频带范围为0.5–5 k Hz的压电式摆动圆柱形偶极声波测井换能器,并采用有限元方法对其进行了模拟和优化设计。此外,论文还对换能器进行了实验样机制作和实验测量,将实验测量与数值模拟结果进行了对比。研究表明,提出的新型偶极声波换能器比传统换能器具有更高的发射灵敏度,尤其是在低频响应范围。本文为新型偶极声波测井换能器的研发工作奠定了基础。     

Terfenol-D球形低频换能器

本文设计并制作了一种Terfenol—D球形换能器,使用有限元分析软件ANSYS对换能器的电声参数进行模拟计算,计算结果与实验结果符合很好。换能器水中谐振频率f=6.3kHz,Q-3dB=2.63,证明具有低频、宽带的特点。     

单侧外部驱动弯张换能器

本文设计、制作了一种单侧外部驱动的弯张换能器，并利用有限元分析软件ANSYS构建了有限元模型，对换能器的电声参数进行了预测，计算结果与实验结果吻合较好。实验测得换能器的最大发射电压响应级为142dB，如果将发射电压加到1200V，换能器的最大声源级预计可达203dB。     

双壳嵌套鱼唇式弯张换能器

研究了一种双壳嵌套鱼唇式弯张换能器,针对特殊结构的空气背衬弯张换能器提出了表征换能器静压形变的系列参数,利用有限元方法研究了这些参数与结构参数的对应关系,并进行了换能器的静态分析。在静态分析基础上,研究了结构参数对换能器声辐射特性的影响,经对比分析得到换能器的优化方案,研制了实验样机,经外场试验验证了双壳嵌套鱼唇式弯张换能器具有小尺寸、频率低、高效率、大功率的工作特性:谐振频率800 Hz、最大声源级199.5 dB、电声效率23.6%、工作深度200 m。      

一种宽带大功率镶拼圆环换能器的设计

介绍了一种大功率宽带换能器的设计方法,换能器由三个镶拼圆环组成,圆环之间用去耦材料隔振。采用有限元方法仿真圆环振子的电声性能,根据仿真结果优化结构尺寸。运用互辐射理论探讨了整体换能器的性能,研制了样机并进行测试。测试结果表明,换能器在2.8 k Hz～8.0 k Hz工作频带内最大发射响应为148 d B,起伏在±2.5 d B之内,具有较大的发射电压响应和较宽的工作频带。     

深水宽频带收发换能器

本文介绍了一种在深海多通道应答系统中用来检测声信号的收发两用宽带换能器的设计和制作.利用自由液浸环式换能器的液腔和陶瓷环耦合共振的原理,简化了换能器的结构和工艺.所制作的换 能器可在420m水深海域中工作,在8.5—14kHz宽频带范围内声源级达197dB,并有±1dB不均匀性的发射电压响应级和起伏±2dB以内的接收灵敏度响应级.该换能器系统安装在多通道定位系统中,在高速深水航行的实艇上得到实际应用.     

球形发射换能器多目标优化设计

为了解决球形发射换能器多约束条件下的离散/连续变量混合型非线性多目标优化问题,基于等效电路理论,建立了球形换能器的电学-力学-声学耦合模型,以辐射声源级、输入电功率和质量为优化目标函数,材料属性参数、结构尺寸参数、工作频率范围和输入电压为设计变量,压电陶瓷电退极化极限、结构强度极限、功率容量等物理特性以及设计变量取值等为约束条件,构建了球形换能器多目标优化数学模型;利用第二代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行了球形换能器多目标优化设计,获得Pareto前沿解集;并通过实验验证了优化结果的有效性。结果表明,采用多目标优化方法设计和制作的球形发射换能器样机,在满足辐射声源级要求的前提下,工作频率范围内输入功率降低了32.8%,质量减轻了27.4%。研究结果可为严苛条件限制下的发射换能器优化设计提供参考。     

多匹配层空气耦合压电超声换能器*

该文针对超声无损检测与成像功能空气耦合换能器开展了分析计算和研制。为解决压电材料与空气间巨大的阻抗失配问题,进行了多匹配层设计,并基于有限元技术仿真设计了1-3压电复合材料参数。借助复数压电方程,导出考虑损耗的多匹配层压电复合材料换能器厚度振动等效电路,获得其等效导纳,以此计算电导谱,同时基于有限元技术数值计算相应电导谱,二者有较好的一致性。在此基础上分别设计制作复合压电材料,多匹配层材料以及由此构成的空气耦合超声换能器。换能器的实测电导谱与数值仿真结果一致。进一步的换能器回波信号测试及其谱分析结果表明,所研制的160 k Hz中心频率空气耦合换能器样品有较好灵敏度和带宽。这些结果说明,该文研制的空气耦合超声换能器的初样是成功的。     

多极子阵列声波成像测井技术研究*

多极子阵列声波成像测井已经成为测井中主要方法之一,在地层评价与油气田开发中有重要作用。在已有理论与数值模拟的基础上,经过近十年的技术攻关,我们已经在多极阵列声波成像仪器制造、测试与数值处理等主要关键技术方面都取得了长足的进展,具体包括高温正交偶极子发射换能、高温低频单极子换能器、声系测试、多极子阵列声波测井高温电路及仪器集成、资料处理及解释等主要方面。所研制的仪器及资料处理方法,经过与国外同类仪器的测井结果进行了对比分析,验证了所研发的仪器的可靠性和处理方法的正确性,这些关键技术为我国声学测井仪器装备技术研发和快速发展打下了基础,提供了技术支撑。     

水声换能器研究新进展

文章综述了几种典型结构水声换能器近些年的新发展,包括:弯张换能器、圆柱面辐射型换能器、纵向换能器等等,主要介绍这些结构类型水声换能器的设计新思想和多方面优化改进的新成果。     

功率超声振动系统的研究进展

功率超声振动系统是功率超声技术中的关键部分,其主要部分包括功率超声换能器、超声变幅杆以及超声工具头或超声辐射器。本文就功率超声换能振动系统设计中经常遇到的一些关键问题进行了简要的归纳和总结,目的在于为功率超声换能器的优化设计和性能改善提供一些有用的设计指南和解决措施。同时,对一些新的功率超声振动系统进行了介绍,并简要分析了其发展趋势和应用领域。     

PVDF梳状换能器接收非线性兰姆波的实验研究*

该文基于PVDF压电薄膜对梳状换能器进行设计制作,并将该换能器应用于接收非线性兰姆波信号实验研究。首先通过输出矢量和方法分析PVDF梳状换能器的工作特性,然后将设计制作的PVDF梳状换能器应用于铝板中非线性兰姆波信号的接收,并与传统压电陶瓷换能器经斜劈接收的非线性兰姆波信号进行比较分析。实验结果表明,两种换能器所接收到的信号幅值随传播距离的变化趋势相近,线性增长的积累效应表征结果相似,且PVDF梳状换能器可以对基波和二次谐波信号同时响应。除此之外,PVDF梳状换能器用于接收非线性兰姆波信号更加稳定。因此,PVDF梳状换能器有望应用于复杂构件的在线检测与监测研究。     

一种压电超声波物料输送器*

利用压电陶瓷元件具有良好声电转换特性和输出特性,本文提出了一种新型结构的压电超声波物料输送器。设计了超声波物料输送器的结构并分析了其工作原理,采用纵扭复合型压电换能器为驱动源,对压电换能器进行了结构设计和参数计算,并对其进行了性能测试。由此研制出了压电超声波输送器的样机并进行了试验测试,结果表明:当频率为17.9 kHz–18.6 kHz时,输送器具有输送物料能力。驱动负载为1.5 kg时系统的谐振频率为18.3 kHz,输送速度最快,达到64个/min。随着电源输出功率的增大输送物料速度呈线性增加。该输送器的稳定性好,噪声低。与压电片式和电磁式输送器噪声进行对比,超声波输送器的工作噪声仅为31 dB,略小于压电片式,远小于电磁式。     

基于最小电压法的超声换能器谐振频率自动跟踪*

首先分析了最大电流法跟踪超声换能器谐振频率的原理及应用范围。研究了基于由串联电感和并联电容匹配电路下,不同频率时换能器两端电压电流的变化规律。研究表明在串联电感和并联电容匹配电路下发生谐振时,换能器两端的电压最小而电流并非最大。由此形成了采用最小电压法跟踪谐振频率的自动跟踪策略,并给出了该方法的具体实施步骤。论文研究结果为换能器谐振频率的自动跟踪方法提供了新的选择。     

基于单片机控制的超声波换能器设计与实现

为了提高超声波换能器电源的智能性和通用性,本文提出了一套以高性能ds PIC30F4011单片机为控制核心的换能器电源解决方案,并进行了相关的软硬件设计。该方案基于键盘输入选择标称频率拓宽了换能器的标称频率选型范围;基于最大电流法检测谐振点设定最佳频率保证了换能器电声转换的高效性;基于电压反馈检测调整输出电压和保持换能器的功率稳定,主要检测过程采用软件实现。实验结果证明采用该方案的超声波换能器电源具有现实可行性。     

基于电磁超声换能器的火车轮探伤研究

利用电磁超声探伤方法对检测火车轮表面及近表面缺陷进行实验探究,从而保证车轮质量,避免事故发生。文章介绍了火车车轮电磁超声探伤的原理和方法。根据电磁超声表面波辐射扩散角的分布情况,得出利用电磁超声表面波进行车轮踏面探伤的可行性。将制作的小巧换能器探头与便携式电磁超声探伤仪配合,能够实现对车轮的快速探伤检测。通过大量的车轮探伤实验,检出了典型车轮踏面缺陷。根据检测波形特点并结合生产工艺情况,分析得出产生缺陷的原因。研究表明:电磁超声无损检测方法能够快速、有效检出车轮踏面缺陷。     

随钻声波测井四极子发射换能器的设计*

提出一种基于金属基片结构的随钻四极子发射换能器,其一阶弯曲模式可用于随钻四极子声源。利用有限元法对该换能器进行了设计分析,结果表明在5kHz附近存在一阶弯曲振动模态,其径向位移分布及发射电压级响应均优于单纯的瓦片状压电阵子,非常适合随钻四极子工作频率及声场的测量需求。针对一阶弯曲振动模态,数值模拟了几何尺寸对换能器性能参数的影响。换能器谐振频率随着陶瓷片厚度、陶瓷片高度、陶瓷片张开角度、金属基片厚度的增大而升高。最大发射电压级幅值随着陶瓷片高度、陶瓷片张开角、金属片厚度的增大而升高;随着陶瓷片厚度的增大,最大发射电压级幅值先升高后逐渐降低。金属基片采用铝片可以使换能器有较大的发射功率。数值模拟结果可以对随钻声波测井仪四极子发射换能器的设计起到良好的指导作用。